基于SoPC的FPGA集成嵌入式系统设计

可编程片上系统( SoPC)是在可编程逻辑器件的基础上发展起来的一种灵活、高效的嵌入式系统设计解决方案,系统设计者可以从传统的板级系统设计转换到芯片级系统设计,将系统设计中所需要的各个功能单元以IP ( Intellectual Property)的形式集成到FPGA中,实现集成度更高的嵌入式系统。

1　Virtex-4 FX系列FPGA介绍

Virtex-4 FX系列FPGA芯片内至少包含一个PowerPC405处理器核,其功能结构如图1所示,该处理器核为32位哈佛结构的R ISC硬核,最高工作频率为400MHz。PowerPC405处理器包括以下功能单元: ( 1)5级数据通道流水线,包括取指、译码、执行、写回、装入写回5 级流水段; ( 2 ) 一个虚拟内存管理单元(MMU) ,支持可变页面大小和写保护、控制访问选项;(3)独立的指令Cache和数据Cache; ( 4)支持调试和跟踪,包含一个JTAG接口; ( 5)三个可编程计时器。另外, PowerPC 405硬核还具有如下特点: ( 1)支持硬件乘法和除法; ( 2) 32个32位通用寄存器; ( 3) 16KB两路组相联方式指令缓存( set-associaTIve) ; (4) 16KB两路组相联方式数据缓存、写回/写直达; ( 5 ) 实现PowerPC用户指令集架构(U ISA) ; ( 6)专用的片上存储器接口(OCM) ; ( 7 )支持IBM CoreConnect总线架构。

 

CoreConnect总线架构是由IBM开发的一种片上总线通信连接技术。CoreConnect总线包括处理器局部总线( PLB) 、片上外设总线(OPB)和设备控制寄存器总线(DCR) 。PLB总线为主设备和从设备之间提供高带宽、低延迟的连接,OPB总线为连接具有不同总线宽度和时序要求的外设提供了一条途径,减少了对PLB性能的影响,DCR总线用来控制PowerPC405处理器中的通用寄存器和设备寄存器之间的数据传输。

2　基于SoPC的嵌入式系统设计技术 2. 1　平台技术

在平台的基础上来构建嵌入式系统为设计者提供了极大的便利, Xilinx 推出的嵌入式开发工具包( EDK)集成了诸如硬件平台产生器(platgen) 、硬件仿真模型产生器( SimGen) 、软件平台产生器( libgen) 、应用软件编译工具(GNU Compiler) 、软件调试工具(GNU Debugger) 等一系列工具。设计者可以通过集成在EDK环境下的Xilinx平台工作室(XPS)方便的调用各种工具进行基于SoPC的嵌入式系统设计。EDK环境下为系统设计者提供了丰富的IP资源,可利用现有的资源迅速搭建自己的嵌入式系统,完成整个PowerPC系统硬件的开发。如果开发工具包提供的IP库不能满足系统设计者的需求,设计者也可定制自己的IP。图2所示为EDK开发环境图形界面。

EDK环境为其自带的IP提供了相应的驱动程序及相关的函数,设计者可以通过调用这些函数加快应用程序的开发。对于设计者自行研制的IP,则需要编写相应的驱动程序。应用程序编写完成后,调用EDK下的GNU工具,编译连接生成可执行文件,再将硬件、软件文件结合在一起,产生可下载的位流文件下载到FPGA,使用Xilinx 微处理器调试工具(XMD ) 连接GNU调试工具进行应用程序调试,在确认应用程序正确无误,能实现系统功能之后,即可将位流文件转换成PROM的配置文件(MCS文件) 下载到目标板上的PROM,从而完成整个设计开发。图3为利用EDK工具进行嵌入式系统开发的流程。

2. 2　系统架构及硬件设计

基于SoPC的嵌入式系统设计过程中,系统设计者首先要明确设计需求,这对于整个设计具有指导性作用,也是将来设计完成后检验设计是否可用的标准之一。系统设计者根据设计需求来确定其系统架构,定义系统主要模块组成,决定其接口类型、总线结构、硬件功能及软件功能,完备的系统架构定义要能满足基本的设计需求,并能最大限度的提高系统整体性能。